光學(xué)掃描測量精度的影響因素及對策分析

1 引言
反求工程（或稱(chēng)逆向工程）是一門(mén)發(fā)展迅速的新興技術(shù)。實(shí)物反求技術(shù)被用于基于已有產(chǎn)品實(shí)物的產(chǎn)品再設計，或對一些無(wú)法用數字化手段直接表述和設計、而只能以實(shí)物形式表達的產(chǎn)品模型（如油泥模型）進(jìn)行數字化轉換，以實(shí)施對這些產(chǎn)品的數字化設計與制造。例如，在對飛機、導彈等飛行器的外型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)設計時(shí)，完全基于實(shí)驗優(yōu)化得到的實(shí)物模型無(wú)法直接用現有的CAD/CAM系統進(jìn)行建模表述，因此，為了實(shí)現這些飛行器的數字化設計與制造，就必須利用實(shí)物反求工程中的點(diǎn)云數據采集技術(shù)將實(shí)物模型轉換為CAD模型。目前，實(shí)物反求技術(shù)已在新產(chǎn)品設計、產(chǎn)品維修、產(chǎn)品在線(xiàn)檢測等方面得到了廣泛應用。

在實(shí)物反求工程中，為實(shí)現對象數字化，必須利用相應的測量或掃描設備對產(chǎn)品三維實(shí)物模型進(jìn)行測量或掃描，以獲得實(shí)物模型的空間拓撲離散點(diǎn)數據點(diǎn)云。因此，點(diǎn)云數據采集是實(shí)物反求時(shí)首先必須完成的工作。在各種實(shí)物測量技術(shù)中，近年來(lái)出現的光學(xué)掃描點(diǎn)云數據采集技術(shù)具有測量效率高、數據完整性好、適用范圍廣、可采集數據范圍寬（從數毫米至數十米）等諸多優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，國內不少高校和科研院所對實(shí)物反求技術(shù)進(jìn)行了大量研究和開(kāi)發(fā)，并在一些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破。通過(guò)自主開(kāi)發(fā)和技術(shù)合作，國內在接觸式測量技術(shù)及設備的開(kāi)發(fā)與應用上已日趨成熟。但對于非接觸測量的光學(xué)掃描點(diǎn)云數據采集技術(shù)，目前還很少見(jiàn)到有國內研制開(kāi)發(fā)的成熟產(chǎn)品及其在汽車(chē)、模具等行業(yè)成功應用的公開(kāi)報道。為促進(jìn)對光學(xué)掃描點(diǎn)云數據采集及處理技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，并提供對外技術(shù)服務(wù)，我校引進(jìn)了國外某公司生產(chǎn)的流動(dòng)式光學(xué)掃描設備。在設備使用過(guò)程中，經(jīng)常因操作失誤、調整不當等原因造成測量誤差過(guò)大的問(wèn)題。為了透徹消化國外引進(jìn)技術(shù)，筆者結合工作實(shí)踐對此進(jìn)行了研究和分析，并提出了相應的解決方案。

2 測量誤差主要表現形式

（1）采集數據缺失或數據密度達不到要求。用這種不完整的數據進(jìn)行點(diǎn)云擬合，誤差較大，難以達到要求的測量精度。

（2）對同一表面的數據采集結果表現為多層點(diǎn)云。這種情況往往出現于被測對象為大型工件或工件為透明物體時(shí)。

（3）單幅采集數據不準確，影響整體測量精度。

（4）累積誤差過(guò)大，使測量結果出現明顯偏差。

（5）點(diǎn)云拼接錯誤，導致較大測量誤差。

（6）測量結果中粗大點(diǎn)(噪音)數據過(guò)多。

3 誤差原因分析及提高精度的對策

筆者結合實(shí)際工作經(jīng)驗，通過(guò)測試分析，將產(chǎn)生較大測量誤差的主要原因歸納為：標定不當、標尺使用不當；測頭鏡頭組合選擇不當;測量順序不當；測量策略選擇不當;工件表面標志點(diǎn)安放不當；測量過(guò)程中操作不當；工件被測表面預處理不當；后處理不當；測量環(huán)境選擇不當等，現分別分析如下：

（1）標定不當、標尺使用不當

掃描測量頭（測頭）由光源、CCD攝像機及相應的鏡頭組構成。在進(jìn)行點(diǎn)云數據采集之前，首先需要對測頭進(jìn)行初始化，主要內容包括：

①根據被測對象的大小、表面特征的多少及其復雜程度選擇不同的鏡頭組合；

②根據測量現場(chǎng)條件、被測對象的表面形態(tài)及表面處理情況確定主光源的光強；

③根據系統標準工作流程對所選定的鏡頭組合進(jìn)行標定，使標定精度值≤0.020；

如果測量之前未進(jìn)行上述工作，而是直接使用以前標定的測頭進(jìn)行測量，則可能因鏡頭組合、光源光強、標定精度不符合本次測量要求而無(wú)法保證測量精度，導致產(chǎn)生較大誤差。

在測量中，如果因操作失誤而使測頭受到?jīng)_擊、碰撞，應及時(shí)對測頭進(jìn)行檢查，如已發(fā)生損壞，要進(jìn)行修理；如未發(fā)生損壞，也必須對測頭進(jìn)行重新標定；即使測量中未發(fā)生任何操作失誤，但如果測量時(shí)間較長(cháng)，也需定時(shí)對測頭進(jìn)行快速標定，檢查測頭的精度狀況。